Ao fabricar portas lógicas sem semicondutores, que podem ser usadas para realizar cálculos, os pesquisadores esperam agilizar a fabricação de eletrônicos.
A eletrônica ativa – componentes que podem controlar sinais elétricos – geralmente contém dispositivos semicondutores que recebem, armazenam e processam informações. Esses componentes, que devem ser fabricados em salas limpas, exigem tecnologia de fabricação avançada que não está amplamente disponível fora de alguns centros de fabricação especializados.
Durante a pandemia de Covid-19, a falta de instalações generalizadas de fabrico de semicondutores foi uma das causas da escassez mundial de electrónica, o que aumentou os custos para os consumidores e teve implicações em tudo, desde o crescimento económico até à defesa nacional. A capacidade de imprimir em 3D um dispositivo eletrônico completo e ativo, sem a necessidade de semicondutores, poderia levar a fabricação de eletrônicos a empresas, laboratórios e residências em todo o mundo.
Embora essa ideia ainda esteja longe, os pesquisadores do MIT deram um passo importante nessa direção ao demonstrar fusíveis reajustáveis totalmente impressos em 3D, que são componentes-chave da eletrônica ativa que geralmente requerem semicondutores.
Os dispositivos livres de semicondutores dos pesquisadores, que eles produziram usando hardware de impressão 3D padrão e um material biodegradável e barato, podem executar as mesmas funções de comutação que os transistores baseados em semicondutores usados para operações de processamento em eletrônica ativa.
Embora ainda longe de atingir o desempenho dos transistores semicondutores, os dispositivos impressos em 3D poderiam ser usados para operações básicas de controle, como regular a velocidade de um motor elétrico.
“Esta tecnologia tem pernas reais. Embora não possamos competir com o silício como semicondutor, a nossa ideia não é necessariamente substituir o que já existe, mas sim empurrar a tecnologia de impressão 3D para um território desconhecido. Em poucas palavras, trata-se realmente de democratizar a tecnologia. Isto poderia permitir que qualquer pessoa criasse hardware inteligente longe dos centros de fabricação tradicionais”, diz Luis Fernando Velásquez-García, principal pesquisador do Microsystems Technology Laboratories (MTL) do MIT e autor sênior de um artigo que descreve os dispositivos, que aparece em Prototipagem Virtual e Física.
Ele é acompanhado no artigo pelo autor principal Jorge Cañada, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação.
Um projeto inesperado
Os semicondutores, incluindo o silício, são materiais com propriedades elétricas que podem ser adaptadas pela adição de certas impurezas. Um dispositivo de silício pode ter regiões condutoras e isolantes, dependendo de como foi projetado. Essas propriedades tornam o silício ideal para a produção de transistores, que são um elemento básico da eletrônica moderna.
No entanto, os pesquisadores não se propuseram a imprimir em 3D dispositivos livres de semicondutores que pudessem se comportar como transistores baseados em silício.
Esse projeto surgiu de outro em que eles fabricavam bobinas magnéticas por meio de impressão por extrusão, processo em que a impressora derrete o filamento e esguicha o material por meio de um bico, fabricando um objeto camada por camada.
Eles viram um fenômeno interessante no material que usavam, um filamento de polímero dopado com nanopartículas de cobre.
Se eles passassem uma grande quantidade de corrente elétrica para o material, ele exibiria um enorme aumento na resistência, mas retornaria ao seu nível original logo após a interrupção do fluxo de corrente.
Essa propriedade permite que os engenheiros produzam transistores que podem operar como interruptores, algo que normalmente só é associado ao silício e outros semicondutores. Os transistores, que ligam e desligam para processar dados binários, são usados para formar portas lógicas que realizam cálculos.
“Vimos que isso era algo que poderia ajudar a levar o hardware de impressão 3D para o próximo nível. Oferece uma maneira clara de fornecer algum grau de ‘inteligência’ a um dispositivo eletrônico”, diz Velásquez-García.
Os pesquisadores tentaram replicar o mesmo fenômeno com outros filamentos de impressão 3D, testando polímeros dopados com carbono, nanotubos de carbono e grafeno. No final, eles não conseguiram encontrar outro material imprimível que pudesse funcionar como um fusível reinicializável.
Eles levantam a hipótese de que as partículas de cobre no material se espalham quando ele é aquecido pela corrente elétrica, o que causa um aumento na resistência que volta a diminuir quando o material esfria e as partículas de cobre se aproximam. Eles também acham que a base polimérica do material muda de cristalino para amorfo quando aquecido, e depois retorna ao estado cristalino quando resfriado – um fenômeno conhecido como coeficiente de temperatura positivo polimérico.
“Por enquanto, essa é a nossa melhor explicação, mas não é a resposta completa porque não explica por que isso só aconteceu nesta combinação de materiais. Precisamos fazer mais pesquisas, mas não há dúvida de que esse fenômeno é real. “, diz ele.
Eletrônica ativa de impressão 3D
A equipe aproveitou o fenômeno para imprimir interruptores em uma única etapa que poderiam ser usados para formar portas lógicas sem semicondutores.
Os dispositivos são feitos de traços finos impressos em 3D do polímero dopado com cobre. Eles contêm regiões condutoras que se cruzam que permitem aos pesquisadores regular a resistência controlando a tensão alimentada na chave.
Embora os dispositivos não tivessem um desempenho tão bom quanto os transistores baseados em silício, eles poderiam ser usados para funções mais simples de controle e processamento, como ligar e desligar um motor. Seus experimentos mostraram que, mesmo após 4.000 ciclos de comutação, os dispositivos não apresentavam sinais de deterioração.
Mas há limites para o tamanho das mudanças que os pesquisadores podem fazer, com base na física da impressão por extrusão e nas propriedades do material. Eles poderiam imprimir dispositivos com algumas centenas de mícrons, mas os transistores na eletrônica de última geração têm apenas alguns nanômetros de diâmetro.
“A realidade é que existem muitas situações de engenharia que não exigem os melhores chips. No final das contas, tudo o que importa é se o seu dispositivo pode realizar a tarefa. Esta tecnologia é capaz de satisfazer uma restrição como essa “, diz ele.
Porém, diferentemente da fabricação de semicondutores, sua técnica utiliza um material biodegradável e o processo utiliza menos energia e produz menos resíduos. O filamento polimérico também poderia ser dopado com outros materiais, como micropartículas magnéticas, que poderiam permitir funcionalidades adicionais.
No futuro, os pesquisadores querem usar esta tecnologia para imprimir eletrônicos totalmente funcionais. Eles estão se esforçando para fabricar um motor magnético funcional usando apenas impressão 3D por extrusão. Eles também querem ajustar o processo para que possam construir circuitos mais complexos e ver até onde podem aumentar o desempenho desses dispositivos.
“Este artigo demonstra que dispositivos eletrônicos ativos podem ser feitos usando materiais condutores poliméricos extrudados. Esta tecnologia permite que a eletrônica seja incorporada em estruturas impressas em 3D. Uma aplicação intrigante é a impressão 3D sob demanda de mecatrônica a bordo de espaçonaves”, diz Roger Howe, o William E. Ayer Professor de Engenharia, Emérito, na Universidade de Stanford, que não esteve envolvido neste trabalho.